集成电路技术简介

Kilby, TI公司 2000年诺贝尔物理奖
1958年第一块集成电路：12个器件，Ge晶片
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摩尔定律
微米时代 3um->2um->1.2um-> 亚微米时代 0.8um->0.5um-> 深亚微米时代 0.35um->0.25um->0.18um->0.13um-> 纳米时代 90nm ->65nm->45nm-> 32nm
• MPW技术服务中心成为虚拟中心为无生产线IC和代工制造之间建立信息流和 物流的多条公共渠道
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多项目晶圆（MPW）计划
MPW技术降低成本
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多项目晶圆（MPW）计划
FICD1 FoundryⅠ FICD1 FICD1 FICD1 Foundry Ⅲ FICD1 MPW FoundryⅡ
集成电路技术简介
张长春 副教授
zhangcc@njupt.edu.cn
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集成电路与微电子
材料与物理 微电子 广义与狭义
系统 电路 工具 工艺
器件与工艺
集成电路 设计
电路与系统
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内容
集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试
1970年代之前
1980年代至1990年代
1990年代之後
System
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IC-ASSP
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IC-ASIC
SOC-IP
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产业分工
IC 产业主要由设计业、制造业、封测业组成
制造
设计
封装测 试
除此之外，还有半导体材料、设备、设计软件工具等 附加产业
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第一个晶体管
William Bradford Shockley
第一个晶体管 1947年12月23日 贝尔实验室 Walter Houser Brattain
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John Bardeen
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第一块集成电路
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内容
集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试
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产业链
• •
计算机与网络、通信（有线、无线、光通信 、卫星通信） 数字音视频（电视机、视盘机DVD、MP3播 放器、音响……） IC卡（身份认证）与电子标签、汽车电子、 生物电子、工业自动化 … EDA工具、服务器、个人计算机(PC)、工程 技术人员……
集成电路测试
集成电路应用
•
电脑及网络、通信及终端（手机） 、电视机
、DVD、数码相机、其他
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产业分工 系統廠商為主
IDM廠商為主 System
Fabless為主 System
晶圓代工為主 System
IP廠商為主 System IP Vendor
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集成电路材料
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集成电路制造
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集成电路制造
数字电路 数模混合电路 现代模拟电路
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定制 (Custom Design) 人工设计，设计周期长，高性能， 高集成度 微处理器，模拟电路，IP核… 标准单元 (Standard Cell) 预先设计好的标准单元，设计周 期短，性能较好 专用电路 (ASIC) 可编程逻辑器件 (FPGA/PLD) 预先生产的芯片，设计周期最短， 低研发成本 原形验证(Prototyping)，可重构计 算
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集成电路设计方法的比较
单片成本 开发费用 开发周期 长
全定制
低
高
标准单元
可编程逻辑器件
高
低
短
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内容
集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试
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现代IC设计绝大多数采用CMOS工艺
• 北京、上海、深圳、杭州、无锡、西安、成都
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我国半导体产业主要集聚地区
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我国微电子技术的发展
13%
3% 上海 江苏 北京 浙江
17% 67%
我国IC制造骨干企业地区分布
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整机系统提出应用需求
•
集成电路设计
•
集成电路制造
•
厂房、动力、材料（硅片、化合物半导体材料） 、专用设备、仪器（光刻机、刻蚀机、注入机…
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•
划片机、粘片机、键合机、包封机、切筋打弯
集成电路封装
机、芯片、塑封料、引线框架、金丝………
•
测试设备、测试程序、测试夹具、测试探针 卡、测试、分选、包装……
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Fabless & Foundry
• 无生产线（Fabless）：IC设计单位不拥有生产线。拥有设计人才和技 术 • 代工（Foundry）：芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计 单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实 现，即代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路技术 发展的一个重要特征。 • 流片：完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序地固 化到芯片上的过程。
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Fabless & Foundry
18% 2% Asia North America Japan 67% Europe
13%
Foundry业务地区分布
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多项目晶圆（MPW）计划
MPW：将几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上然后以步进的 方式排列到一到多个晶圆上 MPW意义： • 降低研制成本
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模拟集成电路设计流程
模拟电路设计
晶体管级原理图设计 前仿真 布局布线(Layout) 物理规则验证 (DRC: Design Rule Check) 与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic) 寄生参数提取 (PE: Parasitical Extraction)
CMOS、双极(Bipolar)、Bi-CMOS
GDSII文件
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后仿真
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数字集成电路设计流程
数字集成电路设计流程
数字电路设计 Verilog/VHDL进行 行为级功能设计 行为级功能仿真 综合(Synthesis) 门级verilog仿真 与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic) GDSII文件
MPW技术服务中心成为虚拟中心
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我国微电子技术的发展
• 1956年五校在北大联合创建半导体专业；
• 1977年北京大学诞生第一块大规模集成电路；
• 1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组； • 80年代：初步形成三业分离状态，制造业、设计业、封 装业； • 2001年：成立7个国家集成电路产业化基地
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Fabless & Foundry
微米
10
10G
1
栅长
芯片复杂度 58%/年 差距增大
1G
100M 10M 1M
0.1
20%/人年 设计产率
1980 1985
100K 10K 1K
0.01
1990 1995
2000 2005 2010
集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率
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内容
集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试
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集成电路的分类
根据设计方法：
根据电路类型：
数字集成电路 模拟集成电路 射频集成电路 微波/毫米波集成 电路
DIN
发送控制电路
输出驱动电路
OUT1 OUT2
基准源
共模反馈电路
偏置电路
系统级
结构级
晶体管级
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器件物理级
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内容
集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试
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Fabless & Foundry
无生产线与代工（F & F）的关系图
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பைடு நூலகம்
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Fabless & Foundry
• Step1：代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（Pocess Design Kits)通过因特网传送给设计单位。 • Step2：设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路与系统 知识的基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、 电路仿真（或称模拟）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和 版图电路图对照LVS，最终生成通常称之为GDS-Ⅱ格式的版图文件。再通过 因特网传送到代工单位。 • Step3：代工单位根据设计单位提供的GDS-Ⅱ格式的版图数据，首先制作掩 模（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。 • Step4：在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版 图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片 ” • Step5：设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。符合技术要求时，进入 系统应用。从而完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。
IC Design System IC Design IDM Fab Assembly Test
IC Design IC Design
IC Design IDM Fab Assembly Test
IDM Fab IDM Fab Foundry Assembly Assembly Test Test
IDM Fab Foundry Assembly Test
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CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
布局布线 (LAYOUT) 物理规则验证 (DRC: Design Rule Check)
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电路设计抽象级别
ENABLE ENABLE
使能电路 上电复位电路
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电子管vs.晶体管
•
最早的电子计算机 18000个电子管，1500个继电器，占地 150m2,重30吨，耗电140kW
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5
电子管vs.晶体管
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分立vs 集成
IC上可容纳的晶体管数目， 约每 18 个月便会增加一倍， 性能也提升一倍
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集成电路的尺寸
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各种IC相关产品无处不在
流媒体 汽车电子 手机电视
高清影像 视频电话
音响设备 DVD 播放器
游戏机 USB闪存
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集成电路市场产品构成
其他, 729.7, 22%
3C概念
消费类, 669.5, 20%
计算机类, 1329.4, 40%
通信类, 613.4, 18%
集成电路市场按整机应用划分，可分为 计算机类、消费类、
通信类等不同类别。这三类占了整个市场的78%。